磁驱软体微机器人集远程无线驱动、柔性顺应形变、精确编程调控等优势于一体，在生物医疗等领域展现出广阔应用前景。然而，当这些微机器人在高度受限、强干扰且动态变化的复杂环境中执行长时序、多步骤的作业任务时，往往只能依赖预设控制程序或人工手动切换模式，难以同时兼顾环境适应、自主决策与高精度运动控制。

近年来，研究人员不断从自然界中汲取灵感，探索更高阶的多模态运动机制。鸵鸟、袋鼠和灵长类动物等生物，天生具备随环境变化自主调整运动方式的能力。

例如，猿猴在穿越复杂地形时，会通过主动调整自身和地面间的有效支撑点数量，在四肢着地、双足直立等多种“支点行走（Pivot-walking）”模态间灵活切换，从而完成快速奔跑、沟壑跳跃及食物捕获等行为，体现出生命体与环境高度适配共融的运动智慧。

大自然中动物的“支点行走”与多模态运动机制启发
 

在复杂环境中执行连续作业任务时，如何赋予磁驱软体微机器人“物理形态-作业功能”共融的自主决策和运动能力，使其能够自主匹配最佳运动模态，并在切换过程中保持高精度稳定作业，已成为制约微机器人迈向更高水平自主化应用的重要挑战之一。

01.

受生物“支点行走”启发，开发全自主磁驱微机器人

面对这一挑战，北京理工大学王化平教授团队受自然界支点行走动物的启发，创新性地提出了一种“环境-任务事件驱动”的磁驱微机器人多模态自主切换和运动控制方法，突破了传统微机器人开环/半自动控制中环境适应、任务执行与运动控制相互割裂的局限，赋予了微机器人在复杂地形中通过自主导航捕获目标的能力。

近日，该研究成果以《Hierarchical Multimodal Motion Control of Magnetic Pivot-Walking Millirobotic-Grippers for Autonomous Target Acquisition in Complex Terrains》为题发表于机器人领域顶级期刊《IEEE Transactions on Robotics》。

成果获国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。北京理工大学为第一完成单位，机电学院聂汝豪、钟世豪为共同第一作者，王化平教授为通讯作者。

研究团队提出的微机器人采用了独特的中心对称“三支点”构型，通过非均质磁化编程实现两种可动态切换的形变状态：既可向内卷曲形成适于目标包裹的“前向闭合”，也可向外舒展形成适于支撑行走的“反向支撑”，为不同运动模态的自主切换与抓取操作提供了结构基础。

磁驱支点行走微机器人的形变状态与多模态运动
 

02.

构建分层控制架构，实现多模态自主切换

为提升机器人在复杂环境中的自主运动与作业能力，团队围绕不同形态与任务需求设计了包含Minuet（小幅步进）、Stride（大步跨越）、Wrap（包裹行走）等在内的6种基础支点行走模态，并进一步集成了面向宽沟壑跨越的弹跳（Jumping）序列。

微机器人双支点行走的步态和跳跃分析
 

在此基础上，团队构建了上下两层协同控制框架：

决策上层：团队引入了基于离散事件的有限状态机（E-FSM）。将狭窄通道、宽沟壑以及目标接近与抓取推进等环境约束和任务状态统一抽象为事件，并结合视觉反馈自主完成运动模态的选择与切换。

执行下层：采用高斯过程（GP）辅助的步态参数优化，并结合滑模控制方法，对关键磁场驱动参数进行调节，从而在环境扰动下实现高精度、强鲁棒性的路径跟随。

分层多模态运动控制框架
 

03.

解锁运动能力，实现复杂地形自由穿梭与货物精准抓取

为评估微机器人在复杂环境中的运动控制与任务作业能力，研究团队开展了一系列典型场景实验，包括变径隧道通行、沟壑跨越、复杂路径跟随以及多形状目标抓取与运输。

• 变径隧道自适应通行

面对高度和宽度逐步收缩的变径隧道，机器人可根据实时检测到的空间约束，从高姿态的Stride模式切换至低矮的Wrap模式，稳定通过收缩通道。

微机器人隧道穿越分析
 

• 宽沟壑自主跨越

当沟壑尺度超出常规步幅时，机器人可根据间隙条件自主切换运动模式并执行弹跳序列，实现对超过自身长度3倍沟壑的跨越。

微机器人沟壑跳跃分析
 

• 复杂路径高精度跟随

在直线、锯齿、阶梯、正弦、圆形5种预设路径的跟踪测试中，依托分层控制算法，机器人的路径跟随误差可控制在体长的5%以内，表现出较好的路径跟踪精度。

微机器人精准路径跟随建模
 

• 多形状目标自主抓取与运输

面对球体、八面体和立方体等不同形状目标，微机器人可自主完成目标接近、姿态对准、抓取包裹、运输及释放等操作，展现出对多类型目标的抓取与运输能力。

微机器人目标抓取运输分析
 

04.

综合场景实践，机器人完成精准抓取作业

为了验证微机器人环境自适应与精准抓取作业潜力，研究团队开展了综合场景下的系列实验。

• 复杂地形中的自主目标获取与运输

在包含狭缝、斜坡和沟壑的复杂迷宫地形中，微机器人能够自主完成地形通行、目标接近、抓取包裹、跨障运输与定点释放等连续操作，展现了其分层控制架构在应对长时序、多步骤任务场景时的自主性与稳定性。

体外复杂迷宫地形中自主导航、定点抓取和定向运输实验
 

• 离体猪胃中的超声引导自主抓取作业

在不透明且存在黏液干扰的离体猪胃环境中，基于二维超声反馈实现了微机器人的定位导航、形态切换与目标抓取运输，初步展示了其在迂曲粘黏腔道病灶取样、跨尺度腔室异物清除等微创介入场景中的应用潜力。

离体猪胃环境下的超声引导自主导航与抓取作业模拟实验
 

05.

结语

本研究所提出的“环境-任务共融”自主控制思路，不仅为生物医学介入场景中的磁驱微机器人提供了新的技术路径，也为复杂非结构环境中执行多步骤任务链条的“特种作业微机器人”发展提供了新思路。

未来，“环境-任务共融”微机器人有望在消化道迂曲管腔病灶活检与异物清除、血管精准给药与栓塞治疗、狭小裂缝结构探查与微量样本采集等方向展现更大的应用潜力。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11441986